본 연구의 목적은 액체 혼합물의 끓음에 대한 예비 화학교사의 인식을 알아보는 것이다. 이를 위해 사범대학에 재학 중인 예비 화학교사 65명을 대상으로 에탄올 수용액의 끓는점과 가열 곡선 유형, 용액이 끓을 때의 기포 속 입자 모형 등에 대한 설문조사를 실시하고, 이 중 9명을 면담하였다. 그 결과, 50% 몰분율의 에탄올 수용액의 끓는점에 대한 예비교사의 인식은 ‘78-100 ℃ 구간에서 끓기 시작한다’는 과학적인 응답이 52.3%이었고, ‘에탄올 끓는점인 78 ℃에서 끓기 시작한다’고 생각하는 응답이 35.4%이었다. 전자의 경우, 물과 에탄올의 부분 증기압력의 합이 순수한 에탄올의 증기압력보다 작고, 물의 증기압력보다 커진다는 과학적인 설명에 비해 ‘끓을 때 에탄올 분자가 물 분자와의 인력이나 진로 방해 등을 통해 순수한 끓는점보다 높아진다’고 생각하는 설명이 많았다. 후자의 경우, 에탄올이 먼저 끓는데, 끓는점은 물질의 고유성질이므로 혼합물이 되어도 변하지 않는다고 생각하였다. 액체 혼합물의 가열 시 온도변화에 대해서는 끓기 시작하면서 온도가 증가하다가 일정한 온도가 된다고 생각하는 응답자가 69.2%이었으나 이들은 에탄올이 끓으면서 기화되어, 액체상에 물의 비율이 높아지기 때문에 점점 끓는점이 증가하게 된다는 설명을 하거나, 에탄올은 상태 변화하지만 액체로 남아있는 물이 열에너지를 흡수하기 때문에 혼합액체의 온도가 증가한다는 설명을 제시하였다. 상당수의 예비교사는 두 개의 일정한 온도 구간이 나타난다는 응답을 하였는데 이들은 액체 혼합물의 각 성분이 자신의 고유한 끓는점에서 상태변화를 한다고 생각하고 있었다. 또한, 액체 혼합물의 증발과 끓음 상황에서 기체상에서의 입자 모형을 분석한 결과, 증발 상황에서는 대부분의 예비교사가 기체상에 물과 에탄올이 동시에 존재하는 모형을 그렸으나, 끓음 상황에서는 기체상에 에탄올만 존재하는 모형을 그리는 비율이 증가하였다. 결과를 바탕으로 예비교사들이 혼합액체의 끓음에 대해 가지고 있는 대체적 개념과 이들의 인식 개선을 위한 시사점을 논의하였다.
본 연구의 목적은 액체 혼합물의 끓음에 대한 예비 화학교사의 인식을 알아보는 것이다. 이를 위해 사범대학에 재학 중인 예비 화학교사 65명을 대상으로 에탄올 수용액의 끓는점과 가열 곡선 유형, 용액이 끓을 때의 기포 속 입자 모형 등에 대한 설문조사를 실시하고, 이 중 9명을 면담하였다. 그 결과, 50% 몰분율의 에탄올 수용액의 끓는점에 대한 예비교사의 인식은 ‘78-100 ℃ 구간에서 끓기 시작한다’는 과학적인 응답이 52.3%이었고, ‘에탄올 끓는점인 78 ℃에서 끓기 시작한다’고 생각하는 응답이 35.4%이었다. 전자의 경우, 물과 에탄올의 부분 증기압력의 합이 순수한 에탄올의 증기압력보다 작고, 물의 증기압력보다 커진다는 과학적인 설명에 비해 ‘끓을 때 에탄올 분자가 물 분자와의 인력이나 진로 방해 등을 통해 순수한 끓는점보다 높아진다’고 생각하는 설명이 많았다. 후자의 경우, 에탄올이 먼저 끓는데, 끓는점은 물질의 고유성질이므로 혼합물이 되어도 변하지 않는다고 생각하였다. 액체 혼합물의 가열 시 온도변화에 대해서는 끓기 시작하면서 온도가 증가하다가 일정한 온도가 된다고 생각하는 응답자가 69.2%이었으나 이들은 에탄올이 끓으면서 기화되어, 액체상에 물의 비율이 높아지기 때문에 점점 끓는점이 증가하게 된다는 설명을 하거나, 에탄올은 상태 변화하지만 액체로 남아있는 물이 열에너지를 흡수하기 때문에 혼합액체의 온도가 증가한다는 설명을 제시하였다. 상당수의 예비교사는 두 개의 일정한 온도 구간이 나타난다는 응답을 하였는데 이들은 액체 혼합물의 각 성분이 자신의 고유한 끓는점에서 상태변화를 한다고 생각하고 있었다. 또한, 액체 혼합물의 증발과 끓음 상황에서 기체상에서의 입자 모형을 분석한 결과, 증발 상황에서는 대부분의 예비교사가 기체상에 물과 에탄올이 동시에 존재하는 모형을 그렸으나, 끓음 상황에서는 기체상에 에탄올만 존재하는 모형을 그리는 비율이 증가하였다. 결과를 바탕으로 예비교사들이 혼합액체의 끓음에 대해 가지고 있는 대체적 개념과 이들의 인식 개선을 위한 시사점을 논의하였다.
The goal of this study is to investigate pre-service chemistry teachers’ understanding of the boiling process of a liquid mixture. We surveyed 65 students in the chemistry program of the College of Education about the boiling point of a 50%(by mole) ethanol aqueous solution and the temperatur...
The goal of this study is to investigate pre-service chemistry teachers’ understanding of the boiling process of a liquid mixture. We surveyed 65 students in the chemistry program of the College of Education about the boiling point of a 50%(by mole) ethanol aqueous solution and the temperature changes during heating. We then interviewed 9 of these students. According to the survey results, the percent of the pre-service teachers who thought that the boiling point of the ethanol solution would be ‘between the boiling points of ethanol and water (78-100 ℃)’ and ‘the same as that of ethanol’ were 52.3% and 35.4%, respectively. The majority of those who stated the former explained that the boiling point of the ethanol solution increased due to the effects of attraction or blocking by water molecules. Most of those who believed the latter explained that physical properties such as the boiling point would not be changed by the addition of water. With regard to the temperature change during heating, 69.2% of the teachers thought that the temperature would increase gradually while boiling, which some thought resulted from the increasing amount of water in the solution as the ethanol boiled off. Others thought that two temperature plateaus would be observed as each component of the liquid mixture underwent phase transition at its specific boiling point. When asked about the particle model of the gas phase during the boiling and evaporation process, some students drew both ethanol and water during evaporation but only ethanol when boiling. We discussed several alternative concepts of pre-service chemistry teachers about the boiling process of liquid mixtures and ways to improve their understanding.
The goal of this study is to investigate pre-service chemistry teachers’ understanding of the boiling process of a liquid mixture. We surveyed 65 students in the chemistry program of the College of Education about the boiling point of a 50%(by mole) ethanol aqueous solution and the temperature changes during heating. We then interviewed 9 of these students. According to the survey results, the percent of the pre-service teachers who thought that the boiling point of the ethanol solution would be ‘between the boiling points of ethanol and water (78-100 ℃)’ and ‘the same as that of ethanol’ were 52.3% and 35.4%, respectively. The majority of those who stated the former explained that the boiling point of the ethanol solution increased due to the effects of attraction or blocking by water molecules. Most of those who believed the latter explained that physical properties such as the boiling point would not be changed by the addition of water. With regard to the temperature change during heating, 69.2% of the teachers thought that the temperature would increase gradually while boiling, which some thought resulted from the increasing amount of water in the solution as the ethanol boiled off. Others thought that two temperature plateaus would be observed as each component of the liquid mixture underwent phase transition at its specific boiling point. When asked about the particle model of the gas phase during the boiling and evaporation process, some students drew both ethanol and water during evaporation but only ethanol when boiling. We discussed several alternative concepts of pre-service chemistry teachers about the boiling process of liquid mixtures and ways to improve their understanding.
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문제 정의
그러나 예비교사 7의 경우, 용액에서 물의 비율이 증가하는 이유를 끓기 시작할 때 에탄올만 날아가기 때문이라고 인식하고 있었다. 또한 온도가 올라가는 이유에 대해서는 앞에서 ‘용액이 끓기 시작하는 온도가 78 ℃ 보다 높은 것을 설명하던 방식’과 같이 물 분자의 방해라는 관점을 제시하였다.
본 연구에서는 액체 혼합물의 끓음에 대한 예비 화학교사의 인식을 알아보고자 하며, 현상을 접근하는 관점에 따라 거시적인 이해, 미시적인 이해로 나누어 조사하려 한다. 이 연구에서 알아보고자 하는 구체적인 연구문제는 다음과 같다.
그러나 액체 혼합물과 그 끓음 현상이 중학교 교육과정에서 다루어지고 있으므로,19-22 이를 가르치게 될 예비교사들은 이에 대한 이해를 필요로 할 것이다. 이러한 점에서 예비화학교사가 액체 혼합물의 끓음에 대한 이해는 어떠하며, 어떠한 어려움과 문제점이 있는지를 알아봄으로써 화학교사교육에 시사점을 제공하고자 한다. 한편 예비 화학교사들은 대학에서 화학을 배우는 학습자이기도 하다.
가설 설정
증발은 두 분자 다 일어나는데 분자 수의 비율은 에탄올 분자가 더 높을 것이다. 같은 온도에서 증기압력이 에탄 올이 더 커서
제안 방법
설문 대상자 중에서 9명을 대상으로 반 구조화된 면담을 실시하였다. 9명의 면담 대상자는 설문지의 끓는점과 상태변화 시 온도변화, 입자 모형에 대한 응답 유형에 따라 각 1~2명씩 선정하여, 설문지 응답에 대한 자세한 설명을 추가적으로 질문하였다. 면담 대상자에 대한 정보는 Table 1과 같다.
첫 번째 문항은 에탄올 수용액의 끓는점에 대한 예상을 알아보기 위한 것으로 5가지의 끓는점을 제시하여 선택하게 하였다. 두 번째 문항은 에탄올 수용액의 상태변화시 온도변화에 대한 예상을 알아보기 위한 것으로 3가지의 가열곡선을 제시하여 선택하게 하였다. 세 번째 문항은 에탄올 수용액이 끓기 이전의 증발 상황에서 액체 표면 위의 입자 모형과, 끓음 상황에서 액체 내의 기포 안의 입자 모형을 그리게 하였다.
면담의 내용은 모두 녹음기로 녹취하였으며, 면담이 끝난 후 면담 내용을 전사하였다. 면담 내용의 분석은 2인의 연구자가 함께 토론하고 합의하는 과정을 거쳐, 설문 결과를 해석하고 주장하기 위한 증거자료를 발췌하였다.
액체 혼합물의 끓음에 대한 예비교사의 인식을 알아보기 위하여 설문지를 개발하였다. 본 연구에서 사용한 설문지 개발에 앞서 일반화학을 이수한 사범대학 과학교육 학부 1학년 40명을 대상으로 50% 몰분율을 갖는 에탄올 수용액의 시간에 따른 혼합액체의 가열곡선을 그리고, 끓는점을 표시하게 하는 방식으로 예비검사를 실시하였다.
설문 대상자 중에서 9명을 대상으로 반 구조화된 면담을 실시하였다. 9명의 면담 대상자는 설문지의 끓는점과 상태변화 시 온도변화, 입자 모형에 대한 응답 유형에 따라 각 1~2명씩 선정하여, 설문지 응답에 대한 자세한 설명을 추가적으로 질문하였다.
설문지의 객관식 문항은 5개의 끓는점과 3개의 가열곡선 보기에 대해 응답자 수와 비율을 계산하였고, 이유를 묻는 서술형 문항에 대해서는 응답내용을 유형화하여 그에 대한 응답자 수와 비율을 계산하였다. 입자 움직임을 그리는 문항은 입자 모형을 유형화하여 그에 대한 응답자 수와 비율을 계산하였다.
두 번째 문항은 에탄올 수용액의 상태변화시 온도변화에 대한 예상을 알아보기 위한 것으로 3가지의 가열곡선을 제시하여 선택하게 하였다. 세 번째 문항은 에탄올 수용액이 끓기 이전의 증발 상황에서 액체 표면 위의 입자 모형과, 끓음 상황에서 액체 내의 기포 안의 입자 모형을 그리게 하였다. 또한 각 문항의 응답에 대한 이유를 서술하도록 요구하였다.
액체 혼합물의 끓음에 대한 예비교사의 인식을 알아보기 위하여 설문지를 개발하였다. 본 연구에서 사용한 설문지 개발에 앞서 일반화학을 이수한 사범대학 과학교육 학부 1학년 40명을 대상으로 50% 몰분율을 갖는 에탄올 수용액의 시간에 따른 혼합액체의 가열곡선을 그리고, 끓는점을 표시하게 하는 방식으로 예비검사를 실시하였다.
에탄올 수용액의 끓음과 증발에 대한 미시적 관점의 이해를 알아보기 위하여 에탄올과 물의 입자비를 1:1로 혼합한 용액에 대하여 끓기 시작할 때 용액 내부의 기포 속 입자 모형과, 증발할 때 용액 표면 위의 입자 모형을 그리게 하고, 이를 비교 분석하였다. 예비교사의 입자 모형은 5개의 유형으로 분류되었으며, 각 유형에 대한 입자 모형과 모형에 대한 설명 및 응답 빈도를 Table 5에 제시하였다.
예비교사의 응답에 대한 구체적인 이유를 파악하기 위하여 우선 '끓기 시작하면서 온도가 증가하다가 일정’해지는 온도변화 그래프를 선택한 46명의 예비교사의 응답 이유를 분석하여 네 개의 유형으로 나누어 제시하였다.
설문지의 객관식 문항은 5개의 끓는점과 3개의 가열곡선 보기에 대해 응답자 수와 비율을 계산하였고, 이유를 묻는 서술형 문항에 대해서는 응답내용을 유형화하여 그에 대한 응답자 수와 비율을 계산하였다. 입자 움직임을 그리는 문항은 입자 모형을 유형화하여 그에 대한 응답자 수와 비율을 계산하였다.
1과 같다. 첫 번째 문항은 에탄올 수용액의 끓는점에 대한 예상을 알아보기 위한 것으로 5가지의 끓는점을 제시하여 선택하게 하였다. 두 번째 문항은 에탄올 수용액의 상태변화시 온도변화에 대한 예상을 알아보기 위한 것으로 3가지의 가열곡선을 제시하여 선택하게 하였다.
대상 데이터
넷째 유형은 '에탄올의 기화를 물이 방해하기 때문'이라는 인식으로 5명의 응답자가 있었다.
둘째는 ‘끓는점 오름’으로 설명한 유형으로 5명의 응답자가 있었다. 대표적인 응답예시는 다음과 같다.
본 연구에서는 액체 혼합물의 끓음에 대한 예비 화학교사의 인식을 알아보기 위하여 65명의 예비 화학교사를 대상으로 에탄올 수용액의 끓는점과 가열 곡선 유형, 용액이 끓을 때의 기포 속 입자 모형 등에 대한 설문조사를 실시하였으며, 이 중 9명을 면담하였다. 설문자료와 면담 자료를 분석하여 얻은 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
액체 혼합물의 끓음에 대한 예비교사의 인식을 조사하기 위하여 서울, 강원, 전남 등 세 지역의 국립 사범대학에 재학 중인 2-4학년 화학전공 예비교사 65명을 대상으로 설문을 실시하였다. 설문대상자는 2학년 11명, 3학년 15명, 4학년 5명으로 모두 일반화학과 물리화학 1을 이수하였다.
액체 혼합물의 끓음에 대한 예비교사의 인식을 조사하기 위하여 서울, 강원, 전남 등 세 지역의 국립 사범대학에 재학 중인 2-4학년 화학전공 예비교사 65명을 대상으로 설문을 실시하였다. 설문대상자는 2학년 11명, 3학년 15명, 4학년 5명으로 모두 일반화학과 물리화학 1을 이수하였다.
첫 번째 유형은 조성비의 변화로 설명하는 경우로 18명의 예비교사에 해당되었다. 가열할수록 액체상에 에탄올의 조성이 작아지고 물의 조성이 커지기 때문에 점점 끓기가 어려워져서 끓는점이 증가한다는 인식이다.
데이터처리
이들 입자 모형과 거시적 이해와의 관계를 살펴보기 위하여 입자 모형별로 응답자가 선택한 주요한 그래프 유형에 대하여 빈도수를 구하였다(Table 6). 그 결과 78 ℃에서 끓기 시작하여 일정한 두 개의 끓는점 구간을 갖는 그래프 유형을 선택한 10명 중 7명이 E 유형의 입자개념을 가지고 있었다.
성능/효과
이들 입자 모형과 거시적 이해와의 관계를 살펴보기 위하여 입자 모형별로 응답자가 선택한 주요한 그래프 유형에 대하여 빈도수를 구하였다(Table 6). 그 결과 78 ℃에서 끓기 시작하여 일정한 두 개의 끓는점 구간을 갖는 그래프 유형을 선택한 10명 중 7명이 E 유형의 입자개념을 가지고 있었다. 다음은 이 유형에 해당되는 예비교사 3과 4와의 면담 내용이다.
둘째, 예비 화학교사는 휘발성 혼합액체의 미시적인 입자모형에 증발과 끓음의 거시적 관점을 적용하는 경향이 있었다. 즉, 끓음 시 발생하는 기포 안에 끓은 에탄올 분자와 증발한 물 분자가 존재한다고 하였다.
세 번째 유형은 ‘에탄올과 물 분자 사이의 인력 때문’이라는 응답으로 가장 빈도수(13명)가 큰 유형이다. 대표적인 응답예시는 다음과 같다.
셋째, 대부분의 예비 화학교사들은 끓음을 증기압력 관점으로 설명하지 않는 경향을 보였다. 증기압력은 끓음을 설명하기 위해 필수적인 개념이지만,6 예비교사가 이해하기 어려운 개념 중 하나이다.
셋째, 액체 혼합물이 끓기 시작할 때 기포 속의 입자 모형을 분석한 결과, 증발 상황에서는 대부분의 예비 화학 교사가 기체상에 물과 에탄올이 동시에 존재하는 모형을 그렸으나, 끓음 상황에서는 기체상에 에탄올만 존재하는 모형을 그리는 비율이 증가하였다.
셋째, 휘발성 액체 혼합물의 끓음 현상은 라울의 법칙, 휘발성 혼합액체의 상평형도, 불변끓음 혼합물 등의 개념과 관련된다. 본 연구에서는 학년별 인식의 차이를 분석하지 못한 한계가 있다.
셋째는 78 ℃에서 끓고 온도가 일정한 두 개의 구간을 갖는다는 인식으로 15.4%의 예비교사에 해당된다. 이들의 인식에는 ‘상태변화 중에는 온도가 일정하다’는 명제와 ‘물질이 혼합되더라도 각각의 고유의 성질을 잃지 않는다’는 두 명제가 바탕이 되어있는 것으로 생각된다.
2%이었다. 에탄올 입자수와 물입자수가 같은 E=W 유형, 물 입자가 에탄올 입자보다 많은 E<W 유형은 각각 12.3%, 7.7%이었다. 에탄올만 그린 E 유형은 24.
예비교사의 입자 모형 분석 결과, 끓음 상황에서 에탄 올과 물을 동시에 존재하게 그린 예비교사는 66.2%이었으며, 이 중 과학적으로 적절한 모형인 에탄올 입자를 많게 그린 E>W 유형은 46.2%이었다. 에탄올 입자수와 물입자수가 같은 E=W 유형, 물 입자가 에탄올 입자보다 많은 E<W 유형은 각각 12.
본 연구에서 50% 몰분율을 갖는 에탄올 수용액을 선정한 이유는 다음과 같다. 첫째, 에탄올 수용액은 학생과 예비교사에게 익숙한 물질이며, 친숙한 상황에서 예상이 가능하다. 둘째, 에탄올 수용액의 끓음은 중학교 교육과정에서도 다루기 때문에 이에 대한 예비교사의 심화된 지식을 알아볼 필요가 있다.
첫째, 에탄올 수용액의 끓는점에 대한 예비 화학교사의 예상은 두 유형이 대표적이다. 78~100 ℃에서 끓는다고 생각하는 예비교사는 끓을 때 에탄올 분자가 물 분자와의 인력이나 진로 방해 등을 통해 순수한 에탄올의 끓는점보다 높아진다고 생각하는 경우가 많았다.
첫째, 예비 화학교사는 휘발성 액체 혼합물의 각 성분은 각기 다른 온도에서 끓는다는 대체적 개념을 갖고 있었다. 즉, 끓는점이 낮은 에탄올이 먼저 끓어 나오고 물은 나중에 끓는다고 생각하고 있었다.
한편, 증발상황에서는 89.2%의 예비교사가 물과 에탄올을 동시에 그렸으며, E>W 유형이 64.6%, E=W 유형이 20.0%, E<W 유형이 4.6%로 끓음 상황에서의 예비교사의 응답 비율보다 높았다. 한편 E 유형은 4.
후속연구
첫째, 에탄올 수용액은 학생과 예비교사에게 익숙한 물질이며, 친숙한 상황에서 예상이 가능하다. 둘째, 에탄올 수용액의 끓음은 중학교 교육과정에서도 다루기 때문에 이에 대한 예비교사의 심화된 지식을 알아볼 필요가 있다. 셋째, 실제로 에탄올 수용액은 이상용액이 아니며, 에탄올의 농도에 따른 실제 용액의 끓는점에 대한 자료는 CRC Handbook of Chemistry and Physics에 제시되어 있다.
휘발성 혼합용액의 끓음에 대한 이해는 석유 정제 등의 원리를 이해하기 위한 기본적인 화학 개념에 해당된다. 따라서 본 연구는 대학화학교육 내용으로서 액체 혼합물의 끓는점의 이해에 있어 대학학습자가 갖는 오인과 그 원인에 대한 정보를 제공할 수도 있을 것이다.
셋째, 휘발성 액체 혼합물의 끓음 현상은 라울의 법칙, 휘발성 혼합액체의 상평형도, 불변끓음 혼합물 등의 개념과 관련된다. 본 연구에서는 학년별 인식의 차이를 분석하지 못한 한계가 있다. 후속 연구를 통해 학년에 따른 차이와 관련 개념과의 연계를 살펴본다면 예비 화학교사를 포함한 화학을 전공하는 대학생을 위한 교수전략을 구성함에 있어 더 많은 정보를 제공할 수 있을 것이라 여겨진다.
액체 혼합물의 끓는점이나 온도변화를 예상해보게 하고, 시범실험이나 실험을 통해 실제 용액의 끓음 현상을 접하고, 학생들의 개념변화를 유도할 활동을 제시하면 좋을 것이다. 여기에 액체 혼합물의 끓는점을 액체 증기압력 관점으로 생각해보는 과정을 포함할 것을 제안한다.
또한 분별증류 상황에서도 순수한 에탄올만 분리되는 것이 아님에도 불구하고, 이를 에탄올이 분리되고, 물이 분리되는 것으로 중고등학교에서 단순하게 배웠을 가능성이 있다. 이는 추후 연구로 확인할 필요가 있을 것이다.
액체 혼합물의 끓음에 대한 예비교사의 이해를 개선하기 위하여 다음을 제안한다. 첫째, 액체혼합물의 끓음에 대한 인식을 개선할 탐구 자료의 개발이 필요하다. 예비교사는 대학 교육과정의 일반화학과 물리화학을 이수하는 과정에서 액체 혼합물의 끓음에 대해 학습하게 되는데 이 때 액체 혼합물의 끓음에 대한 탐구 자료를 개발하여 예비교사 교육에 활용하면 예비 화학교사의 이해와 흥미를 높이는 데 도움이 될 것이다.
본 연구에서는 학년별 인식의 차이를 분석하지 못한 한계가 있다. 후속 연구를 통해 학년에 따른 차이와 관련 개념과의 연계를 살펴본다면 예비 화학교사를 포함한 화학을 전공하는 대학생을 위한 교수전략을 구성함에 있어 더 많은 정보를 제공할 수 있을 것이라 여겨진다.
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